simulasi cfd pada kapal planing hull

KAPAL, Vol. 16, No. 3 Oktober 2019 123

http://ejournal.undip.ac.id/index.php/kapal

1829-8370 (p)

2301-9069 (e)

Simulasi CFD pada Kapal Planing Hull

Samuel1*), Andi Trimulyono, Ari Wibawa Budi Santosa 1)Departmen Teknik Perkapalan, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Semarang

Jl. Prof. Soedarto, SH, Kampus Undip Tembalang, Semarang, Indonesia 50275

diajukan pada : 07/11/19 direvisi pada : 12/11/19 diterima pada : 13/11/19

Abstrak

Akurasi dalam memprediksi hambatan kapal adalah salah satu aspek penting dalam mendesain lambung kapal. Secara

umum, hambatan kapal dengan type planing lebih rumit daripada type displacement. Planing hull memiliki

karakteristik unik seperti trim, heave, hard-chine, Froude number tinggi dan dead-rise angle. Gaya hidrodinamik pada

planing hull lebih dominan daripada gaya hidrostatik. Analisis numerik menggunakan Finite Volume Method (FVM)

dipilih untuk menyelesaikan masalah hidrodinamik. Dalam penelitian ini, persamaan (RANS Reynolds-Averaged

Navier-Stokes) digunakan untuk menggambarkan model turbulensi dengan k-ε. Secara umum, pemodelan Volume of

Fluid (VOF) menggunakan aliran multiphase Euler yang diasumsikan air dan udara sebagai phase. Tujuan dari

penelitian ini adalah untuk memperkenalkan perhitungan kapal type planing hull untuk memprediksi hambatan kapal

dan seakeeping. Studi validasi ini dilakukan dengan menggunakan eksperimen Fridsma hullform. Hasil pada penelitian

ini menunjukkan bahwa simulasi numerik pada jenis planing hull dapat diprediksi dengan akurasi yang cukup baik.

Copyright © 2019, KAPAL, 1829-8370 (p), 2301-9069(e)

Kata Kunci : Planing hull, CFD, Finite Volume Method, Volume of Fluid, RANS

1. PENDAHULAN

Penelitian yang yang dilakukan oleh Fridsma

telah menginspirasi para peneliti untuk

mempelajari prediksi hambatan, heave dan pitch

pada type kapal planing hull. Ada beberapa

penelitian yang berkaitan dengan validasi kapal

planing hull. Studi eksperimental planing hull

dilakukan secara bertahap pada gelombang

regular [1] dan gelombang irregular [2]. Secara

khusus Fridsma berkontribusi menggunakan

lambung prisma menggunakan non-dimensional

unit (v/L0.5) deadrise yang berbeda. Penelitian

lainnya, Daniel Savitsky memberikan kontribusi

dengan melakukan pengujian experimental

dengan menggunakan pendekatan formula

empirical dengan mendefinisikan gaya angkat,

hambatan, permukaan basah, tekanan dan

porposing [3].

Menurut beberapa literatur yang dilakukan

oleh Yousefi pada tahun 2013, simulasi numerik

dapat dilakukan untuk memprediksi fenomena

aliran disekitar lambung kapal planing hull [4].

Beberapa penelitian menggunakan software

Ansys-FLUENT [5], [6], Ansys-CFX [7], CFD-

ship-Iowa [8], COMET [9], [10], ALE-VMS [11]

dan Star-CCM+ [12]–[14]. Metode yang paling

sering digunakan untuk memprediksi hambatan

dan gerakan planing hull adalah FVM (Finite

Volume Method), FEM (Finite Element Method)

dan FDM (Finite Difference Method) serta

analitik-experiment. Menurut data penelitian

diatas, metode yang paling sering digunakan

untuk memprediksi hambatan, trim dan heave

adalah FVM.

Pada saat beroperasional, planing hull

memiliki konsentrasi pada hambatan, trim dan

heave; sehingga penelitian ini bertujuan untuk

memprediksi hambatan, trim dan heave dengan

mendefinisikan geometri, titik berat, titik apung

dan moment inersia kapal. Manfaat dari studi ini

*) Penulis Korespondensi :

Email : [email protected]

JURNAL ILMU PENGETAHUAN & TEKNOLOGI KELAUTAN

KAPAL

http://ejournal.undip.ac.id/index.php/kapal

http://perkapalan.undip.ac.id/


adalah untuk memberikan informasi benchmark

yang akurat pada penelitian selanjutnya yang lebih

kompleks. Simulasi ini dilakukan menggunakan

paket software komersial yang dikembangkan

oleh star-CCM+.

2. METODE

2.1. Objek Penelitian

Objek penelitian ini adalah kapal Fridsma

hull form untuk memprediksi hambatan, trim dan

heave. Data kapal yang digunakan adalah kapal

dalam skala model eksperimen yang sudah

dilakukan pengujian towing tank pada table 1.

Table 1. Data Fridsma hull form [1]

Dimension A B C D

L (m) 1.143 1.143 1.143 1.143

B (m) 0.229 0.229 0.229 0.229

L/B 5 5 5 5

β 20 20 20 20

LCG (m) 59.00 62.00 61.50 67.50

C.G from

baseline

(m)

0.0672 0.0672 0.0672 0.0672

k (%) 25.1 25.5 25.3 26.5

v (m/s) 4 6 2 2

2.2. Perlakuan Pada Objek

Persamaan yang digunakan untuk

mendefinisikan garis pada gambar kapal dapat

dilihat pada gambar 1.

Gambar 1. Persamaan garis pada Fridsma hull

form

Persamaan garis dimodelkan menggunakan

NURBS untuk mendapatkan garis, surface dan

volume kapal. NURBS (Non-Uniform, Rational

B-spline Surface) adalah model matematika

dengan menggunakan computer untuk

merepresentasikan bentuk garis dan surface.

Pemodelan kapal dilakukan dengan menggunakan

polysurface untuk mendapatkan bentuk kapal

yang solid atau tertutup (gambar 2).

Gambar 2. Pemodelan 3D Fridsma hull form

2.3. Metode Penelitian

Tujuan penting dari setiap program CFD

adalah untuk menyelesaikan persamaan dengan

menggunakan pendekatan boundary dan initial

conditions. Persamaan Reynolds-averaged

Navier–Stokes (RANS) mempresentasikan hukum

konservasi massa dan momentum. Setiap cell

diasumsikan sebagai volum fraksi yang memiliki

nilai 1 dan 0. Fungsi fluida air dan udara

tergantung dari properti volum fraksi. Permukaan

air laut diasumsikan F, sebagai hukum konservasi:

δF

δt+

δuF

δx+

δvF

δy+

δwF

δz= 0

(1)

Persamaan RANS dikembangkan

berdasarkan konsep bahwa kecepatan dan panjang

kapal cukup untuk menggambarkan efek

turbulensi di sekitar lambung. Dalam perhitungan,

model turbulensi k-ε yang berfungsi sebagai

dinding yang digunakan untuk menggambarkan

efek turbulensi pada aliran [15].

ITTC membantu perhitungan CFD sebagai

pedoman praktis. Informasi jumlah minimum cell

yang direkomendasikan per amplitudo gelombang

dan panjang gelombang memberikan akurasi

dalam memprediksi hambatan [16]. ITTC

merekomendasikan cell per tinggi gelombang

1/40 s/d 1/20.

Untuk menentukan banyaknya cell yang

digunakan pada dinding kapal digunakan nilai y+.

Nilai y+ juga dibahas untuk mengurangi

ketidakuratan perhitungan. Nilai y+

direkomendasikan pada Star CCM+ dan ITTC

yaitu:

𝑦

𝐿=

𝑦+

𝑅𝑒√

𝐶𝑓

2

(2)


Lotfi melakukan penelitian untuk

mendapatkan hasil yang akurat menggunakan

nilai y+ antara 50 – 150 [7]. Untuk menentukan

time-step pada perhitungan CFD tergantung pada

kecepatan kapal dan pengambilan data pada saat

perhitungan. Semakin cepat kapal maka semakin

kecil time-step yang digunakan. Berdasarkan

perhitungan yang direkomendasikan oleh ITTC,

nilai time-step yaitu:

𝛥𝑡 𝐼𝑇𝑇𝐶 = 0.005 ∽ 0.01𝐿

𝑈

(3)

Pada penelitian ini nilai time-step yang

digunakan terletak diantara 0.008, sesuai dengan

gambar 3.

Gambar 3. Penggunaan time-step CFD

Ilustrasi domain yang digunakan untuk

merepresentasikan towing tank menggunakan

koordinat kartesian pada gambar 4. Untuk

mengurangi waktu komputasi digunakan setengah

badan kapal. Jarak dinding depan terhadap haluan

depan kapal 1 LOA, jarak dinding belakang

terhadap buritan kapal 2.5 LOA, jarak dinding

samiping terhadap midship kapal 1.5 LOA dan

jarak dinding bawah terhadap dinding atas 3 LOA

seperti yang ditunjukan pada gambar 4.

Gambar 4. Ilustrasi towing tank pada simulasi

CFD

Kerapatan mesh yang digunakan pada

penelitian ini fokus pada permukaan air.

Kerapatan mesh secara lokal dilakukan pada

koordinat x, y, z dengan menggunakan isotropic

atau anisotropic. Semakin rapat penggunaan mesh

akan menambah waktu perhitungan dan

begitupula sebaliknya. Sehingga konsentrasi mesh

fokus pada bagian yang dianggap penting. Lokasi

kerapatan mesh dibagi menjadi beberapa bagian

yang diberikan pada tabel 2 dan gambar 5.

Pada simulasi CFD gerak kapal dibatasi

dengan membebaskan gerakan heave dan pitch,

sementara gerakan kapal yang lain tidak

digunakan. Asumsi ini digunakan untuk

memprediksi trim dan gerakan naik turun kapal.

Tabel 2. Kerapatan mesh

Bagian Nama Dimensi

1 Far field 0.060 L

2 Block 1 0.007 L

3 Block 2 0.030 L

4 Free surface 0.002 L

5 Hull 0.006 L

Gambar 5. Ilustrasi konfigurasi kerapatan mesh

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Alasan utama untuk memilih bentuk lambung

yang digunakan oleh Fridsma adalah bentuk

geometri yang sangat sederhana dan data

eksperimen yang sangat akurat. Simulasi

eksperimen pada air tenang dan gelombang

menggambarkan efek deadrise, trim, loading,

kecepatan, rasio panjang-lebar kapal, dan added

resistance.

Penelitian pada kondisi air tenang digunakan

untuk menentukan kecepatan pada kondisi

gelombang. Kecepatan yang dipilih pada kondisi

gelombang adalah 2 m/s dan 6 m/s, sesuai dengan

table 1. Pada gambar 6, menunjukan simulasi

CFD dan eksperimen pada kondisi air tenang.

Total hambatan kapal menunjukan kemiripan

pada non-dimensional unit Froude Number (Fr)

0.000

0.005

0.010

0.015

0 0.5 1 1.5 2

V*t/

L

Fr

Simulation time step

ITTC-Time step upper limit

ITTC-Time step lower limit


dan Rasio hambatan dan displasemen (R/△). Fr

adalah fungsi dari kecepatan kapal dan panjang

kapal. R/△ adalah fungsi hambatan kapal dan

displacement kapal.

Gambar 6. Perbandingan CFD dan eksperimen

pada kondisi air tenang

Perbedaan pressure pada kondisi air tenang

ditunjukan pada gambar 7. Pada gambar tersebut

menunjukan adanya perbedaan gaya yang terjadi

karena tekanan air. Kondisi ini menunjukan

bahwa gaya terbesar terjadi pada titik stagnasi

kapal.

Gambar 7. Perbedaan pressure pada saat simulasi

CFD

Berdasarkan gambar 8, menunjukan

perbandingan hambatan total, pitch dan heave

dengan menggunakan CFD dan eksperimen. Pada

kondisi kecepatan kapal Fr = 1.78 dengan tinggi

gelombang 0.025 m perbandingan pitch dan heave

menunjukan hasil perhitungan CFD cukup baik,

akan tetapi pada perhitungan hambatan terjadi

perbedaan. Perbedaan ini terjadi karena

ketidakmampuan CFD untuk mendefinisikan

volum fraksi pada kecepatan kapal yang sangat

tinggi.

Memodifikasi kerapatan mesh dan time-step

dilakukan untuk mengurangi nilai eror, tetapi

tidak dapat diselesaikan dengan sempurna.

Kejadian ini juga pernah dibahas oleh Federici,

bahwa ada pengurangan total hambatan sampai

dengan 30% [17]. Ahmed Gultekin Avci juga

pernah melakukan hal yang sama, untuk

menyelesaikan permasalahan ini, maka untuk

menyelesaikan permasalahan ini digunakan

penambahan sebanyak 15% dari toal hambatan

kapal [14].

Non-dimensional unit yang digunakan pada

kondisi gelombang adalah 2𝜃A/(2𝜋𝐻/𝜆), 2zA/H,

dan λ/L. 2𝜃A/(2𝜋𝐻/𝜆) adalah fungsi dari

Amplitudo pitch motion (𝜃A), tinggi gelombang

(H), Panjang gelombang (𝜆); 2zA/H adalah fungsi

dari Amplitudo heave motion (zA). λ/L adalah

fungsi dari Panjang gelombang (λ) dan panjang

kapal (L).


Fridsma-B pada kondisi tinggi gelombang 0,025

m dan Fr = 1.78.

Gambar 9 dan gambar 10 menunjukan

perbandingan CFD dan eksperimen pada kondisi

tinggi gelombang 0.025 m dan Fr = 0.59. Fridsma

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

R/△

Fr

CFD

Experiment (Fridsma, 1969)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 1 2 3 4 5

2𝜃

A/(

2𝜋𝐻

/𝜆)

λ/L

CFD


0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0 1 2 3 4 5

R/△

λ/L

CFD


0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 1 2 3 4 5

2zA

/H

λ/L

CFD


Min Max Pressure


C dan D memiliki sedikit perbedaan pada letak

Longitudinal Center of Gravity (LCG) dan pitch

gyradius (k) yang berkaitan dengan fungsi

moment inersia kapal. Pada percobaan

mengunakan model ini, hampir semua aspek

memiliki persamaan antara hambatan total, pitch

dan heave.


Fridsma-C pada kondisi tinggi gelombang 0.025

m dan Fr = 0.59


Fridsma-D pada kondisi tinggi gelombang 0.025

m dan Fr = 0.59

4. KESIMPULAN

CFD merupakan salah satu metode yang

paling sering digunakan untuk memecahkan

persamaan dinamika fluida yang cukup akurat.

Pemodelan yang kompleks dapat diselesaikan

menggunakan simulasi komputasi yang modern

tanpa mengurangi hasil akhir.

Pada simulasi CFD di air tenang menunjukan

hasil yang akurat sesuai dengan hasil uji

eksperimen.

Sementara, berdasarkan hasil simulasi

numerik, ada indikasi bahwa pada kecepatan

kapal yang tinggi (Fr = 1.78) ada

ketidakmampuan perhitungan numerik yang harus

dievaluasi. Sementara untuk kecepatan kapal Fr =

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0 1 2 3 4 5 6 7

2𝜃

A/(

2𝜋𝐻

/𝜆)

λ/L

CFD


0.00

0.05

0.10

0.15

0 1 2 3 4 5 6 7

R/△

λ/L

CFD


0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 1 2 3 4 5 6 7

2zA

/H

λ/L

CFD


0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 1 2 3 4 5 6 7

2𝜃

A/(

2𝜋𝐻

/𝜆)

λ/L

CFD


0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0 1 2 3 4 5 6 7

R/△

λ/L

CFD


0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 1 2 3 4 5 6 7

2zA

/H

λ/L

CFD



0.59, CFD mampu memberikan hasil yang akurat,

sesuai dengan hasil eksperimen.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapan terima kasih kepada

Laboraturium Ship Design, Department Naval

Architecture and System Engineering di Pukyong

National University atas dukungan dalam

melakukan penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

[1] G. Fridsma, “A Systematic study of the

rough-water performance of planing

boats,” Hoboken, New Jersey, 1969.

[2] G. Fridsma, “A Systematic study of the

rough-water performance of planing boats.

Irregular waves.,” Hoboken, New Jersey,

1971.

[3] D. Savitsky, “Hydrodynamic design of

planing hulls,” Mar. Technol. SNAME, vol.

1, no. 1, pp. 71–95, 1964.

[4] R. Yousefi, R. Shafaghat, and M. Shakeri,

“Hydrodynamic analysis techniques for

high-speed planing hulls,” Appl. Ocean

Res., vol. 42, pp. 105–113, 2013.

[5] R. Yousefi, R. Shafaghat, and M. Shakeri,

“High-speed planing hull drag reduction

using tunnels,” Ocean Eng., vol. 84, pp.

54–60, 2014.

[6] V. Subramanian, “Pressure and drag

influences due to tunnels in high-speed

planing craft,” Int. Shipbuild. Prog., vol.

54, pp. 25–44, 2007.

[7] P. Lotfi, M. Ashrafizaadeh, and R. K.

Esfahan, “Numerical investigation of a

stepped planing hull in calm water,” Ocean

Eng., vol. 94, pp. 103–110, 2015.

[8] S. M. Mousaviraad, Z. Wang, and F. Stern,

“URANS studies of hydrodynamic

performance and slamming loads on high-

speed planing hulls in calm water and

waves for deep and shallow conditions,”

Appl. Ocean Res., vol. 51, pp. 222–240,

2015.

[9] M. Caponnetto, “Practical CFD

simulations for planing hulls,” Int. Conf.

High Perform. Mar. Veh. (HIPER’ 01), no.

May, 2001.

[10] M. Caponnetto, H. Söding, and R.

Azcueta, “Motion simulations for planing

boats in waves,” Sh. Technol. Res., vol. 50,

no. 4, pp. 182–198, 2003.

[11] I. Akkerman, J. Dunaway, J. Kvandal, J.

Spinks, and Y. Bazilevs, “Toward free-

surface modeling of planing vessels:

Simulation of the Fridsma hull using ALE-

VMS,” Comput. Mech., vol. 50, no. 6, pp.

719–727, 2012.

[12] S. Brizzolara and F. Serra, “Accuracy of

CFD codes in the prediction of planing

surfaces hydrodynamic characteristics,”

2nd Int. Conf. Mar. Res. Transp., no. June

2007, pp. 147–158, 2007.

[13] A. De Marco, S. Mancini, S. Miranda, R.

Scognamiglio, and L. Vitiello,

“Experimental and numerical

hydrodynamic analysis of a stepped

planing hull,” Appl. Ocean Res., vol. 64,

pp. 135–154, 2017.

[14] A. G. Avci and B. Barlas, “An

experimental and numerical study of a

high-speed planing craft with full-scale

validation,” J. Mar. Sci. Technol., vol. 26,

no. 5, pp. 617–628, 2018.

[15] B. Launder and D. Spalding, “The

numerical computation of turbulent flows,”

Comput. Methods Appl. Mech. Eng., vol. 3,

pp. 269–289, 1974.

[16] ITTC, “Practical guidelines for ship CFD

applications,” in Specialist Committee on

CFD in Marine Hydrodynamics of the 27th

ITTC, 2014.

[17] A. Federici, “Design and analysis of non-

conventional hybrid high-speed hulls with

hydrofoils by CFD methods,” University

of Genoa, 2014.

simulasi cfd pada kapal planing hull

Documents